Устройство и принцип работы трансформатора

Для преобразования электрического напряжения одной величины в электрическое напряжение другой величины, то есть для преобразования электрической мощности, применяют электрические трансформаторы.

Трансформатор может преобразовывать лишь переменный ток в переменный ток, поэтому для получения постоянного тока, переменный ток с трансформатора при необходимости выпрямляют. Для этой цели служат выпрямители.

Так или иначе, любой трансформатор (будь то трансформатор напряжения, трансформатор тока или импульсный трансформатор) работает благодаря явлению электромагнитной индукции, которое проявляет себя во всей красе именно при переменном или импульсном токе.

В простейшем виде однофазный трансформатор состоит всего из трех основных частей: ферромагнитного сердечника (магнитопровода), а также первичной и вторичной обмоток. В принципе обмоток у трансформатора может быть и больше двух, но минимум их две. В некоторых случаях функцию вторичной обмотки может нести на себе часть витков первичной обмотки (см. виды трансформаторов), но подобные решения встречаются достаточно редко по сравнению с обычными.

Главная часть трансформатора — ферромагнитный сердечник. Когда трансформатор работает, то именно внутри ферромагнитного сердечника присутствует изменяющееся магнитное поле. Источником изменяющегося магнитного поля в трансформаторе служит переменный ток первичной обмотки.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора

Известно, что любой электрический ток сопровождается магнитным полем, соответственно переменный ток сопровождается переменным (изменяющимся по величине и направлению) магнитным полем.

Таким образом, подав в первичную обмотку трансформатора переменный ток, получим изменяющееся магнитное поле тока первичной обмотки. А чтобы магнитное поле было сконцентрировано главным образом внутри сердечника трансформатора, данный сердечник изготавливают из материала с высокой магнитной проницаемостью, в тысячи раз большей чем у воздуха, чтобы основная часть магнитного потока первичной обмотки замкнулась бы именно внутри сердечника, а не по воздуху.

Таким образом переменное магнитное поле первичной обмотки сконцентрировано в объеме сердечника трансформатора, который изготавливают из трансформаторной стали, феррита или другого подходящего материала, в зависимости от рабочей частоты и назначения конкретного трансформатора.

Вторичная обмотка трансформатора находится на общем сердечнике с его первичной обмоткой. Поэтому переменное магнитное поле первичной обмотки пронизывает также и витки вторичной обмотки.

А явление электромагнитной индукции как раз и заключается в том, что изменяющееся во времени магнитное поле наводит в пространстве вокруг себя изменяющееся электрическое поле. И поскольку в данном пространстве вокруг изменяющегося магнитного поля находится провод вторичной обмотки, то индуцированное переменное электрическое поле действует на носители заряда внутри этого провода.

Данное действие электрическим полем вызывает в каждом витке вторичной обмотки ЭДС. В результате между выводами вторичной обмотки появляется переменное электрическое напряжение. Когда вторичная обмотка включенного в сеть трансформатора не нагружена, трансформатор работает в режиме холостого хода.

Работа трансформатора под нагрузкой

Если же ко вторичной обмотке работающего трансформатора подключена некая нагрузка, то во всей вторичной цепи трансформатора возникает ток через нагрузку.

Данный ток порождает свое собственное магнитное поле, которое, по закону Ленца, имеет такое направление, что противодействует «причине, его вызывающей». То есть магнитное поле тока вторичной обмотки в каждый момент времени стремится уменьшить увеличивающееся магнитное поле первичной обмотки или же стремится поддержать магнитное поле первичной обмотки когда оно уменьшается, оно всегда направлено навстречу магнитному полю первичной обмотки.

Таким образом, когда вторичная обмотка трансформатора нагружена, в его первичной обмотке возникает противо-ЭДС, заставляющая первичную обмотку трансформатора потреблять из питающей сети больше тока.

Соотношение витков первичной N1 и вторичной N2 обмоток трансформатора определяет соотношение между его входным U1 и выходным U2 напряжениями и входным I1 и выходным I2 токами, при работе трансформатора под нагрузкой. Данное соотношение называется коэффициентом трансформации трансформатора:

Коэффициент трансформации больше единицы если трансформатор понижающий, и меньше единицы — если трансформатор повышающий.

Трансформатор напряжения является разновидностью понижающего трансформатора, предназначенной для гальванической развязки цепей высокого напряжения от цепей низкого напряжения.

Обычно, когда речь идет о высоком напряжении, имеют ввиду 6 и более киловольт (на первичной обмотке трансформатора напряжения), а под низким напряжением понимают величины порядка 100 вольт (на вторичной обмотке).

Трансформатором напряжения можно назвать в принципе и любой силовой трансформатор, применяемый для преобразования электрической мощности.

У трансформатора тока первичная обмотка, состоящая обычно всего из одного витка, включается последовательно в цепь источника тока. Данным витком может выступать участок провода цепи, в которой необходимо измерить ток.

Провод просто продевается через окно сердечника трансформатора и становится этим самым единственным витком — витком первичной обмотки. Вторичная же его обмотка, имеющая много витков, подключается к измерительному прибору, отличающемуся малым внутренним сопротивлением.

Трансформаторы данного типа используются для измерения величин переменного тока в силовых цепях. Здесь ток и напряжение вторичной обмотки оказываются пропорциональны измеряемому току первичной обмотки (токовой цепи).

Трансформаторы тока широко применяются в устройствах релейной защиты электроэнергетических систем, поэтому обладают высокой точностью. Они делают измерения безопасными, так как гальванически надежно изолируют измерительную цепь от первичной цепи (обычно высоковольтной — десятки и сотни киловольт).

Данный трансформатор предназначен для преобразования тока (напряжения) импульсной формы. Короткие импульсы, обычно прямоугольные, подаваемые на его первичную обмотку, заставляют трансформатор работать практически в режиме переходных процессов.

Такие трансформаторы используются в импульсных преобразователях напряжения и других импульсных устройствах, а также в качестве дифференцирующих трансформаторов.

Применение импульсных трансформаторов позволяет снизить вес и стоимость устройств, в которых они применяются просто в силу повышенной частоты преобразования (десятки и сотни килогерц) по сравнению с сетевыми трансформаторами, работающих на частоте 50-60 Гц. Прямоугольные импульсы, у которых длительность фронта много меньше длительности самого импульса, нормально трансформируются с малыми искажениями.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Устройство и принцип работы трансформатора

Здравствуйте, уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомство с электронными компонентами и в этой статье рассмотрим устройство и принцип работы трансформатора.

Трансформаторы нашли широкое применение в радио и электротехнике и применяются для передачи и распределения электрической энергии в сетях энергосистем, для питания схем радиоаппаратуры, в преобразовательных устройствах, качестве сварочных трансформаторов и т.п.

Трансформатор предназначен для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины.

В большинстве случаев трансформатор состоит из замкнутого магнитопровода (сердечника) с расположенными на нем двумя катушками (обмотками) электрически не связанных между собой. Магнитопровод изготавливают из ферромагнитного материала, а обмотки мотают медным изолированным проводом и размещают на магнитопроводе.

Одна обмотка подключается к источнику переменного тока и называется первичной (I), с другой обмотки снимается напряжение для питания нагрузки и обмотка называется вторичной (II). Схематичное устройство простого трансформатора с двумя обмотками показано на рисунке ниже.

1. Принцип работы трансформатора.

Принцип работы трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции.

Если на первичную обмотку подать переменное напряжение U1, то по виткам обмотки потечет переменный ток Io, который вокруг обмотки и в магнитопроводе создаст переменное магнитное поле. Магнитное поле образует магнитный поток Фo, который проходя по магнитопроводу пересекает витки первичной и вторичной обмоток и индуцирует (наводит) в них переменные ЭДС – е1 и е2. И если к выводам вторичной обмотки подключить вольтметр, то он покажет наличие выходного напряжения U2, которое будет приблизительно равно наведенной ЭДС е2.

При подключении к вторичной обмотке нагрузки, например, лампы накаливания, в первичной обмотке возникает ток I1, образующий в магнитопроводе переменный магнитный поток Ф1 изменяющийся с той же частотой, что и ток I1. Под воздействием переменного магнитного потока в цепи вторичной обмотки возникает ток I2, создающий в свою очередь противодействующий согласно закону Ленца магнитный поток Ф2, стремящийся размагнитить порождающий его магнитный поток.

В результате размагничивающего действия потока Ф2 в магнитопроводе устанавливается магнитный поток Фo равный разности потоков Ф1 и Ф2 и являющийся частью потока Ф1, т.е.

Результирующий магнитный поток Фo обеспечивает передачу магнитной энергии из первичной обмотки во вторичную и наводит во вторичной обмотке электродвижущую силу е2, под воздействием которой во вторичной цепи течет ток I2. Именно благодаря наличию магнитного потока Фo и существует ток I2, который будет тем больше, чем больше Фo. Но и в то же время чем больше ток I2, тем больше противодействующий поток Ф2 и, следовательно, меньше Фo.

Из сказанного следует, что при определенных значениях магнитного потока Ф1 и сопротивлений вторичной обмотки и нагрузки устанавливаются соответствующие значения ЭДС е2, тока I2 и потока Ф2, обеспечивающие равновесие магнитных потоков в магнитопроводе, выражаемое формулой приведенной выше.

Таким образом, разность потоков Ф1 и Ф2 не может быть равна нулю, так как в этом случае отсутствовал бы основной поток Фo, а без него не мог бы существовать поток Ф2 и ток I2. Следовательно, магнитный поток Ф1, создаваемый первичным током I1, всегда больше магнитного потока Ф2, создаваемого вторичным током I2.

Величина магнитного потока зависит от создающего его тока и от числа витков обмотки, по которой он проходит.

Напряжение вторичной обмотки зависит от соотношения чисел витков в обмотках. При одинаковом числе витков напряжение на вторичной обмотке будет приблизительно равно напряжению, подаваемому на первичную обмотку, и такой трансформатор называют разделительным.

Если вторичная обмотка содержит больше витков, чем первичная, то развиваемое в ней напряжение будет больше напряжения, подаваемого на первичную обмотку, и такой трансформатор называют повышающим.

Если же вторичная обмотка содержит меньшее число витков, чем первичная, то и напряжение ее будет меньше, чем напряжение подаваемое на первичную обмотку, и такой трансформатор называют понижающим.

Следовательно. Путем подбора числа витков обмоток, при заданном входном напряжении U1 получают желаемое выходное напряжение U2. Для этого пользуются специальными методиками по расчету параметров трансформаторов, с помощью которых производится расчет обмоток, выбирается сечение проводов, определяются числа витков, а также толщина и тип магнитопровода.

Трансформатор может работать только в цепях переменного тока. Если его первичную обмотку подключить к источнику постоянного тока, то в магнитопроводе образуется магнитный поток постоянный во времени, по величине и направлению. В этом случае в первичной и вторичной обмотках не будет индуцироваться переменное напряжение, а следовательно, не будет передаваться электрическая энергия из первичной цепи во вторичную. Однако если в первичной обмотке трансформатора будет течь пульсирующий ток, то во вторичной обмотке будет индуцироваться переменное напряжение частота которого будет равна частоте пульсации тока в первичной обмотке.

2. Устройство трансформатора.

2.1. Магнитопровод. Магнитные материалы.

Назначение магнитопровода заключается в создании для магнитного потока замкнутого пути, обладающего минимальным магнитным сопротивлением. Поэтому магнитопроводы для трансформаторов изготавливают из материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью в сильных переменных магнитных полях. Материалы должны иметь малые потери на вихревые токи, чтобы не перегревать магнитопровод при достаточно больших значениях магнитной индукции, быть достаточно дешевыми и не требовать сложной механической и термической обработки.

Магнитные материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, выпускаются в виде отдельных листов, либо в виде длинных лент определенной толщины и ширины и называются электротехническими сталями.
Листовые стали (ГОСТ 802-58) изготавливаются методом горячей и холодной прокатки, ленточные текстурованные стали (ГОСТ 9925-61) только методом холодной прокатки.

Также применяют железноникелевые сплавы с высокой магнитной проницаемостью, например, пермаллой, перминдюр и др. (ГОСТ 10160-62), и низкочастотные магнитомягкие ферриты.

Для изготовления разнообразных относительно недорогих трансформаторов широко применяются электротехнические стали, имеющие небольшую стоимость и позволяющие трансформатору работать как при постоянном подмагничивании магнитопровода, так и без него. Наибольшее применение нашли холоднокатаные стали, имеющие лучшие характеристики по сравнению со сталями горячей прокатки.

Сплавы с высокой магнитной проницаемостью применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, предназначенных для работы при повышенных и высоких частотах 50 – 100 кГц.

Недостатком таких сплавов является их высокая стоимость. Так, например, стоимость пермаллоя в 10 – 20 раз выше стоимости электротехнической стали, а пермендюра – в 150 раз. Однако в ряде случаев их применение позволяет существенно снизить массу, объем и даже общую стоимость трансформатора.

Из магнитомягких низкочастотных ферритов с высокой начальной проницаемостью изготавливают прессованные магнитопроводы, которые применяют для изготовления импульсных трансформаторов и трансформаторов, работающих на высоких частотах от 50 – 100 кГц. Достоинством ферритов является невысокая стоимость, а недостатком является низкая индукция насыщения (0,4 – 0,5 Т) и сильная температурная и амплитудная нестабильность магнитной проницаемости. Поэтому их применяют лишь при слабых полях.

Выбор магнитных материалов производится исходя из электромагнитных характеристик с учетом условий работы и назначения трансформатора.

2.2. Типы магнитопроводов.

Магнитопроводы трансформаторов разделяются на шихтованные (штампованные) и ленточные (витые), изготавливаемые из листовых материалов и прессованные из ферритов.

Шихтованные магнитопроводы набираются из плоских штампованных пластин соответствующей формы. Причем пластины могут быть изготовлены практически из любых, даже очень хрупких материалов, что является достоинством этих магнитопроводов.

Ленточные магнитопроводы изготавливаются из тонкой ленты, намотанной в виде спирали, витки которой прочно соединены между собой. Достоинством ленточных магнитопроводов является полное использование свойств магнитных материалов, что позволяет уменьшить массу, размеры и стоимость трансформатора.

В зависимости от типа магнитопровода трансформаторы подразделяются на стрежневые, броневые и тороидальные. При этом каждый из этих типов может быть и стрежневым и ленточным.

В магнитопроводах стержневого типа обмотки располагается на двух стержнях (стержнем называют часть магнитопровода, на которой размещают обмотки). Это усложняет конструкцию трансформатора, но уменьшает толщину намотки, что способствует снижению индуктивности рассеяния, расхода проволоки и увеличивает поверхность охлаждения.

Стержневые магнитопроводы используют в выходных трансформаторах с малым уровнем помех, так как они малочувствительны к воздействию внешних магнитных полей низкой частоты. Это объясняется тем, что под влиянием внешнего магнитного поля в обеих катушках индуцируются напряжения, противоположные по фазе, которые при равенстве витков обмоток компенсируют друг друга. Как правило, стержневыми выполняются трансформаторы большой и средней мощности.

В магнитопроводе броневого типа обмотка располагается на центральном стержне. Это упрощает конструкцию трансформатора, позволяет получить более полное использование окна обмоткой, а также создает некоторую механическую защиту обмотки. Поэтому такие магнитопроводы получили наибольшее применение.

Некоторым недостатком броневых магнитопроводов является их повышенная чувствительность к воздействию магнитных полей низкой частоты, что делает их малопригодными к использованию в качестве выходных трансформаторов с малым уровнем помех. Чаще всего броневыми выполняются трансформаторы средней мощности и микротрансформаторы.

Тороидальные или кольцевые трансформаторы позволяют полнее использовать магнитные свойства материала, имеют малые потоки рассеивания и создают очень слабое внешнее магнитное поле, что особенно важно в высокочастотных и импульсных трансформаторах. Но из-за сложности изготовления обмоток не получили широкого применения. Чаще всего их делают из феррита.

Для уменьшения потерь на вихревые токи шихтованные магнитопроводы набираются из штампованных пластин толщиной 0,35 – 0,5 мм, которые с одной стороны покрывают слоем лака толщиной 0,01 мм или оксидной пленкой.

Лента для ленточных магнитопроводов имеет толщину от нескольких сотых до 0,35 мм и также покрывается электроизолирующей и одновременно склеивающейся суспензией или оксидной пленкой. И чем тоньше слой изоляции, тем плотнее происходит заполнение сечения магнитопровода магнитным материалом, тем меньше габаритные размеры трансформатора.

За последнее время наряду с рассмотренными «традиционными» типами магнитопроводов находят применение новые формы, к числу которых следует отнести магнитопроводы «кабельного» типа, «обращенный тор», катушечный и др.

На этом пока закончим. Продолжим во второй части.
Удачи!

1. В. А. Волгов – «Детали и узлы радио-электронной аппаратуры», Энергия, Москва 1977 г.
2. В. Н. Ванин – «Трансформаторы тока», Издательство «Энергия» Москва 1966 Ленинград.
3. И. И. Белопольский – «Расчет трансформаторов и дросселей малой моности», М-Л, Госэнергоиздат, 1963 г.
4. Г. Н. Петров – «Трансформаторы. Том 1. Основы теории», Государственное Энергетическое Издательство, Москва 1934 Ленинград.
5. В. Г. Борисов, – «Юный радиолюбитель», Москва, «Радио и связь» 1992 г.

Источник

На чем основано возникновение тока во вторичной обмотке трансформатора

Назначение трансформаторов

Трансформатором называется электротехнические устройства с помощью которого осуществляется преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности.

Впервые подобные устройства были использованы в 1878 г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им электрических свечей — нового в то время источника света.
Позднее эти устройства получили название трансфораторов.
Трансформатор Яблочкова состоял из двух цилиндрических катушек, надетых на стальной стержень, собранный из отдельных проволок.

Устройство трансформатора

Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, собранного из пластин, на который надеты две (иногда и более) катушки с проволочными обмотками.
Одна из обмоток, называемая первичной, подключается к источнику переменного напряжения. Другая обмотка, к которой присоединяют нагрузку, т. е. приборы и устройства, потребляющие электроэнергию, называется вторичной.
Условное обозначение трансформатора на электрических схемах

Трансформатор на холостом ходу

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции, открытым Майклом Фарадеем в 1831 году.
Явление электромагнитной индукции: при изменении тока в цепи первой катушки во второй катушке, расположенной рядом, возникает электрический ток.

При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, которым возбуждается ЭДС индукции в витках каждой обмотки.
Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле так, что магнитный поток существует практически только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

Мгновенное значение ЭДС индукции е во всех витках первичной или вторичной обмотки одинаково.
Согласно закону Фарадея оно определяется формулой

где
Ф’ — производная потока магнитной индукции по времени.

В первичной обмотке, имеющей N₁ витков, полная ЭДС индукции

Во вторичной обмотке полная ЭДС индукции

где
N₂ — число витков этой обмотки.

Отсюда следует, что

Обычно активное сопротивление обмоток трансформатора мало, и им можно пренебречь.
В этом случае модуль напряжения на зажимах первичной обмотки примерно равен модулю суммарной ЭДС индукции:

При разомкнутой вторичной обмотке трансформатора ток в ней не идет, и имеет место соотношение

Мгновенные значения ЭДС e₁ и e₂ изменяются синфазно, т.е. одновременно достигают максимума и одновременно проходят через ноль.
Поэтому их отношение можно заменить отношением действующих значений ЭДС и напряжений

Работа нагруженного трансформатора

Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, потребляющую электроэнергию, т.е. нагрузить трансформатор, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна нулю.
Появившийся ток создаст в сердечнике свой переменный магнитный поток, который будет уменьшать изменения магнитного потока в сердечнике.

Уменьшение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока не произойдет, так как

Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличится сила тока в первичной обмотке.
Его амплитуда возрастет таким образом, что восстановится прежнее значение амплитуды колебаний результирующего магнитного потока.

Увеличение силы тока в цепи первичной обмотки происходит в соответствии с законом сохранения энергии: отдача электроэнергии в цепь, присоединенную к вторичной обмотке трансформатора, сопровождается потреблением от сети такой же энергии первичной обмоткой.

При подключении нагрузки ко вторичной цепи КПД трансформатора близок к 100%.
Мощность в первичной цепи при нагрузке трансформатора, близкой к номинальной, примерно равна мощности во вторичной цепи:

При повышении с помощью трансформатора напряжения в несколько раз, сила тока во столько же раз уменьшается (и наоборот).

Трансформатор преобразует переменный электрический ток таким образом, что произведение силы тока на напряжение примерно одинаково в первичной и вторичной обмотках

Чтобы уменььшить нагревание сердечника, его собирают из отдельных стальных пластин, которые изолируются друг от друга бумагой, лаком или окисью металла сердечника.
В трансформаторах малой мощности применяют круглые тороидальные сердечники из стальных колец или стальной ленты.
Для повышения КПД в трансформаторах обмотки высокого и низкого напряжения располагают на одних и тех же стержнях.
В радиотехнике обмотки часто наматываются на средний стерженьь.

При работе трансформатора обмотки нагреваются, для их охлаждения мощные трансформаторы помещают даже в баки с жидким маслом (масляные трансформаторы).

Трансформаторы широко используют в радиоаппаратуре, а также для передачи электроэнергии на большие расстояния в линиях электропередач, для этого строятся трансформаторные подстанции.

Источник